在線IR_BCI系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).pdf

1、腦-機(jī)接口（BCI）是近年來出現(xiàn)的一種新的通信與控制方式，它直接使用大腦思維活動(dòng)信號(hào)作為通信載體，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互。BCI技術(shù)不僅可以幫助肢體癱瘓的病人與外界交流、控制外圍設(shè)備、完成康復(fù)訓(xùn)練等，還可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)任務(wù)，而且它在娛樂等方面的應(yīng)用給人們的生活帶來一定的樂趣，此外它還可以促進(jìn)很多學(xué)科的深入研究。
　　從腦電信號(hào)是否被實(shí)時(shí)處理，BCI系統(tǒng)被分為兩種：在線式系統(tǒng)和離線式系統(tǒng)。在線式系統(tǒng)對(duì)采集到的腦電信號(hào)立即進(jìn)行處理，可

2、以實(shí)時(shí)地控制外圍設(shè)備，此外它還可以將處理結(jié)果等信息反饋給受試者，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。離線式系統(tǒng)則是將腦電信號(hào)的采集和處理分開進(jìn)行，一般只用來評(píng)估系統(tǒng)的性能。因此，從實(shí)際的使用價(jià)值方面來講，只有在線式系統(tǒng)才能滿足人們的要求。
　　本文使用自制腦電采集板基于“模擬閱讀”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)了一種在線式BCI系統(tǒng)，即基于“模擬閱讀”的腦-機(jī)接口系統(tǒng)（IR_BCI）該系統(tǒng)包括三個(gè)部分：腦電信號(hào)采集、信號(hào)處理和外圍設(shè)備控制。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上基于VS2

3、010設(shè)計(jì)一個(gè)在線BCI系統(tǒng)軟件，覆蓋了從腦電信號(hào)采集、預(yù)處理、特征選擇、模式識(shí)別到用戶界面控制等整個(gè)過程。具體工作包括：
　?。?）系統(tǒng)總體框架的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)劃分的功能模塊有：視覺誘發(fā)、信號(hào)采集、信號(hào)處理、特征選擇與模式識(shí)別和信息輸出等模塊。
　?。?）每個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。視覺誘發(fā)模塊主要是在用戶界面設(shè)計(jì)視覺刺激器，實(shí)現(xiàn)了“模擬閱讀”視覺誘發(fā)事件相關(guān)腦電位的腦-機(jī)接口實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使人腦通過腦電波直接控制虛擬鍵盤，達(dá)到

4、人機(jī)交互的目的。信號(hào)采集模塊是上位機(jī)從下位機(jī)讀取采集的數(shù)據(jù)，然后將讀取到的數(shù)據(jù)按一定的排列規(guī)則拆分、合并成原始的腦電信號(hào)，最后將該信號(hào)存儲(chǔ)到指定的文件中。信號(hào)處理模塊分為：預(yù)處理、特征選擇與模式識(shí)別。首先對(duì)原始腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括：確定參考電極、確定基線、20Hz的低通濾波、降4采樣等基本處理。特征選擇與模式識(shí)別是根據(jù)腦電信號(hào)N2-P3成分出現(xiàn)的時(shí)域特點(diǎn)提取特征向量，然后使用支持向量機(jī)完成分類識(shí)別。信息輸出模塊則是將特征選擇與模式識(shí)

5、別模塊的識(shí)別結(jié)果反饋給受試者，或?qū)⒆R(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)換成特定的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。
　?。?）系統(tǒng)測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試分為功能測(cè)試和性能測(cè)試。功能測(cè)試是驗(yàn)證每個(gè)模塊能否正常工作；性能測(cè)試是驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作及系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，首先進(jìn)行一系列測(cè)試來驗(yàn)證上述五個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；然后選擇一個(gè)被試者，分別完成了五次四鍵實(shí)驗(yàn)和五次七鍵實(shí)驗(yàn)，其中，四鍵實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率為88％，92%，88%，90%，92%，平均準(zhǔn)確

6、率為90%。七鍵實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率為68%，70%，66%，68%，66%，平均準(zhǔn)確率為67.6%，證明了該在線系統(tǒng)的正確性。
　?。?）系統(tǒng)應(yīng)用。在系統(tǒng)測(cè)試基礎(chǔ)上，受試者使用該系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)小車的運(yùn)動(dòng)，即通過大腦思維活動(dòng)控制其左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退，其準(zhǔn)確率最高可達(dá)90%以上。說明了本文的在線系統(tǒng)對(duì)BCI系統(tǒng)的實(shí)用化有一定的促進(jìn)作用。
　　實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)所有操作在一個(gè)PC機(jī)上完成，具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率，且可以實(shí)時(shí)控制外圍設(shè)備，即